S7-200系列PLC在擠出吹塑成型壁厚控制系統(tǒng)中的應用

1．引言
        擠出吹塑成型機是目前產(chǎn)量最大的一種生產(chǎn)容器和中空制品的吹塑成型設(shè)備，可生產(chǎn)出
從最小只有1mL到最大可達10000L的各種容器制品，如牛奶瓶、飲料瓶、洗滌劑瓶、化妝
品瓶以及化學試劑桶、飲料桶、礦泉水桶等。 
        近年來，擠出吹塑成型的主要技術(shù)趨勢是朝著自動化、智能化、高精度和高速度的方向
發(fā)展。因此，如何提高傳統(tǒng)擠出吹塑成型的整體技術(shù)含量，使之適應該行業(yè)技術(shù)發(fā)展趨勢要
求是很重要的課題。
        本文描述的擠出吹塑成型機采用德國西門子有限公司開發(fā)生產(chǎn)的S7-200系列PLC
作為主要的電氣控制系統(tǒng)，應用情況說明該系統(tǒng)完全可以符合自動化、智能化、高精度和高
速度的技術(shù)發(fā)展趨勢。
第一，S7-200系列PLC高度融合了電子技術(shù)、自動化技術(shù)及網(wǎng)絡(luò)技術(shù)，用S7-200系列PLC
作為吹塑成型機的控制系統(tǒng)，將使吹塑成型機具有擠出、合模、吹脹、冷卻和開模等過程的
自動控制功能，同時具有擠出型坯溫度、擠出壓力和冷卻溫度的自動調(diào)節(jié)功能，向著自動化
和智能化的方向發(fā)展。
第二，S7-200 系列 PLC 中的具備高精度的熱電偶模塊和模擬量輸入輸出擴展模塊，可以
滿足型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚的高精度控制要求，達到制品成型所要求的質(zhì)量要求，
而且精度重復性好；采用高速硬件解析技術(shù)的CPU模塊和本身帶有CPU芯片和專用共享數(shù)
據(jù)區(qū)的模擬量擴展模塊，可極大地提高熔料塑化速度，擠出速度以及開合模速度，縮短了成
型周期，并保證了制品的成型質(zhì)量。

2．設(shè)備工藝過程 
 

 
擠出吹塑是制造空心塑料制品的成型方法，是借助氣體氣體壓力使模具內(nèi)的熱型坯吹脹
成容器的。擠出吹塑設(shè)備由擠出機、機頭、模具、吹氣系統(tǒng)和鎖模裝置構(gòu)成，如圖1所示，
其工藝過程：
（1） 將熱塑性塑料從進料口進入機筒內(nèi)，由擠出機將塑料熔化成熔料流體，經(jīng)過擠
壓系統(tǒng)塑煉和混合均勻的熔料以一定的容量和壓力由機頭口模擠出形成型坯；
（2） 將達到規(guī)定長度的型坯置于吹塑模具內(nèi)合模，并由模具上的刃口將型坯切斷；
（3） 由模具上的進氣口通過壓縮空氣以一定的壓力吹脹型坯；
（4） 保持模具型腔內(nèi)壓力，使制品和模具內(nèi)表面緊密接觸，然后冷卻定型，開模取
出制品。
在吹塑過程中，型坯的形成和吹脹是吹塑過程的核心，型坯形成和吹脹質(zhì)量的高低直接
影響著容器制品的質(zhì)量好壞，而熔料的受熱溫度、擠出壓力和和冷卻時間將直接影響型坯的
成型和吹脹質(zhì)量。型坯壁厚在吹氣成型過程中若沒有得到有效控制，冷卻后會出現(xiàn)厚薄不均的
狀況，胚壁產(chǎn)生的應力也不同，薄的位置容易出現(xiàn)破裂。因此，控制型胚壁厚對于提高產(chǎn)品質(zhì)量
和降低成本也同樣重要。
綜上所述，如何控制擠出機的受熱溫度、擠出壓力、制品的冷卻時間以及型胚壁厚成為
影響容器制品質(zhì)量的幾個關(guān)鍵因素。
 
3．控制系統(tǒng)設(shè)計
3.1 系統(tǒng)原理及配置
粒狀或粉狀的塑料經(jīng)擠出機塑化達熔融狀態(tài)，通過采集電子尺數(shù)據(jù)，反饋控制擠出熔料
量，使熔料通過預定流速進入機頭。當儲料量達預定值時，由 PLC 控制機頭口模打開。根
據(jù)設(shè)定的型坯壁厚曲線，由 PLC 完成進行型坯壁厚控制。同時，將熔融物料壓出形成制品
型坯，模具成型機合模機構(gòu)采用四拉桿三板聯(lián)動系統(tǒng)，合模機的運動速度按設(shè)定值實現(xiàn)自控，
運動平穩(wěn)。合模后吹氣，型坯在模具內(nèi)成型為中空制品，冷卻定型后開模，由 PLC 控制機
械手取出制品。
系統(tǒng)電氣控制部分的基本配置如下：
（1）控制器采用德國西門子有限公司生產(chǎn)的S7-200系列 PLC 進行動作控制和150點型坯壁厚控制。
（2）溫度的測量采用工業(yè)鎧裝熱電偶，溫度控控制由 S7-200系列的熱電偶模塊 EM231完成，該模塊本身內(nèi)置CPU芯片， 可執(zhí)行PID算法，在上電設(shè)置好參數(shù)后，EM231熱電偶模塊
就可以自行控制固態(tài)繼電器的通斷，從而控制溫度的穩(wěn)定，波動范圍小。  
（3）壁厚控制由機筒電子尺反饋型坯長度給PLC，然后通過S7-200系列的4通道模擬量
輸出模塊EM232控制執(zhí)行機構(gòu)驅(qū)動伺服閥完成。
（4）操作面板采用臺灣威倫觸摸屏完成整機的型坯溫度、擠出壓力、型坯壁厚以及冷卻時間等
各種工藝參數(shù)的設(shè)定、修改、畫面顯示等，采用菜單式程序控制，操作簡便可靠，能使設(shè)備
經(jīng)常處于良好運行狀態(tài)，并保證人機安全生產(chǎn)。

3.2 溫度控制系統(tǒng)
在擠出吹塑的過程中，需要加熱和散熱工作在平衡狀態(tài)，以使擠出熔料溫度達到某一動
態(tài)平衡。因此，擠出過程的溫度需要實時測量和控制。
擠出機的溫度經(jīng)熱電偶采集到熱電偶模塊EM231中，模塊內(nèi)本身內(nèi)置CPU芯片，具
有8路熱電偶輸入，可以在模塊內(nèi)完成PID控制算法，控制精度為
±1℃。E5THM 采集到的溫度信號與設(shè)定溫度比較得到偏差信號，如果測量溫度大于設(shè)定
值，則模塊按時間周期占空比的 PID算法，通過PWM脈沖調(diào)寬技術(shù)控制固態(tài)繼電器動作，
使擠出機加熱裝置停止加熱，反之亦然, 進行冷卻控制操作。機筒溫度設(shè)定和實時溫度顯示
可以通過觸摸屏完成。
3.3 型坯壁厚控制
熔料從口模擠出處于黏流態(tài)流動一段時間，由于原材料特性、擠出溫度和擠出流量隨時
間變化呈非線性變化，所以型坯在擠出過程中，型坯壁厚發(fā)生變化。為使擠出吹塑制品滿足
壁厚要求，必須采取有效措施控制型坯壁的厚度。 
 
壁厚控制系統(tǒng)是對模芯縫隙的開合度進行控制的系統(tǒng)，也即位置伺服系統(tǒng)，它由控制器、
電液伺服閥、動作執(zhí)行機構(gòu)和作為位置反饋的電子尺構(gòu)成。當機頭口模打開時，PLC讀取機
筒電子尺反饋的型坯長度，然后根據(jù)型坯壁厚曲線，通過高精度模擬量輸出模塊 EM232 輸出
±10V 的電壓信號給電液伺服閥，伺服閥直接驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)控制模芯上下移動，調(diào)整口模與
芯模的間隙大小來完成口模開度的控制，進而完成型坯壁厚的閉環(huán)控制，如圖2所示。此時，
壁厚型坯設(shè)定采用數(shù)字化方式，通過觸摸屏完成150點型坯壁厚控制的設(shè)定，型坯壁